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1、 参考书参考书n1 TMS320LF240 xDSP1 TMS320LF240 xDSP结构、原理及应用结构、原理及应用,刘和平刘和平,北京航空航天大学北京航空航天大学n 出版社出版社.n2 TMS320LF240 xDSP C2 TMS320LF240 xDSP C语言开发应用语言开发应用,刘和平刘和平,北京航空航天大学北京航空航天大学n 出版社出版社.n3 3 TMS320LF240 xTMS320LF240 x DSPDSP原理及应用开发指南原理及应用开发指南，赵世廉，北京航空，赵世廉，北京航空n 航天大学出版社航天大学出版社.n4 TMS320LF/LC244 TMS320LF/LC2
2、4系列系列DSPDSP的的CPUCPU与外设与外设,徐科军等编译徐科军等编译,清华大学清华大学n 出版社。出版社。n5 TMS320LF/LC245 TMS320LF/LC24系列系列DSPDSP指令和编程工具指令和编程工具,徐科军等编译徐科军等编译,清华大学清华大学n 出版社。出版社。n6 DSP6 DSP控制器实用教程控制器实用教程,牛小兵等，国防工业出版社。牛小兵等，国防工业出版社。n7 DSP7 DSP控制器原理及其在运动控制系统中的应用控制器原理及其在运动控制系统中的应用,韩安太等韩安太等,清华大学清华大学n 出版社。出版社。n8 8 电机的电机的DSPDSP控制技术及其应用控制技术
3、及其应用,谢宝昌等谢宝昌等,北京航空航天大学出社。北京航空航天大学出社。主要内容主要内容 n 主要内容主要内容:n 1、电机控制系统相关知识 n 2、DSP2407内部结构n 3、汇编语言n 4、数字I/O接口n 5、中断n 6、事件管理器n考核方式：考核方式：n 平时成绩+考试成绩 第第1章章 绪论绪论n1.1 DSP1.1 DSP概述概述n1.2 1.2 电机控制系统相关知识电机控制系统相关知识 1.1 DSP概述概述n1.1.1 DSP1.1.1 DSP含义含义n1.1.2 DSP1.1.2 DSP技术的发展及现状技术的发展及现状n1.1.3 DSP1.1.3 DSP的应用的应用n1.1
4、.4 1.1.4 单片机、嵌入式微处理器和单片机、嵌入式微处理器和DSPDSPn1.1.5 DSP1.1.5 DSP基本结构及主要特征基本结构及主要特征n1.1.6 DSP1.1.6 DSP处理器的选择处理器的选择1.2 1.2 电机控制系统相关知识电机控制系统相关知识n1.2.1 1.2.1 信号检测信号检测n1.2.2 1.2.2 逆变技术逆变技术n1.2.3 PWM1.2.3 PWM控制技术控制技术n1.2.4 1.2.4 空间矢量调制技术空间矢量调制技术(SVPWM)(SVPWM)1.1.1 DSP含义含义n Digital Signal Processing(数字信号处理数字信号处理
5、)nDSP n Digital Signal Processor (数字信号处理器数字信号处理器 )1.1.1 DSP含义含义n数字信号处理数字信号处理:n 任务任务对数字信号进行处理的理论和方法信号分析信号分析:对信号特性进行测量和识别 (谱分析,语音分析,特征识别,目标检测)信号滤波信号滤波:从含有噪声的数据中提取有用信息 (滤除背景噪声,干扰,频带分割)1.1.1 DSP含义含义n数字信号处理器数字信号处理器:n 早期早期 :n 现在现在 :n DSP:DSP:nDSPDSP技术技术:用于数字信号处理的可编程微处理器 算法只能在计算机上仿真实现在DSP上实时处理国内常用 DSP 代表数字
6、信号处理器用通用DSP处理器或基于DSP核的专用器件，来实现数字信号处理的方法与技术1.1.2 DSP技术的发展及现状技术的发展及现状n19651965年年 FFT的推出，为数字信号处理的应用奠定了基础n2020世纪世纪7070年代年代 集成电路技术的发展，用硬件实现FFT和n 数字滤波的算法已经成为可能。n19781978年年 AMI公司第一片单片DSP问世，n19791979年年 美国Intel公司发布了商用可编程器件2920n19801980年年 日本NEC公司推出的PD7720n19811981年年 美国贝尔实验室推出16位字长的DSP芯片DSPI。1.1.2 DSP技术的发展及现状技
7、术的发展及现状nTITI公司的主要产品包括公司的主要产品包括:n 第一代第一代DSPDSP芯片芯片:n 第二代第二代DSPDSP芯片芯片:n 第三代第三代DSPDSP芯片芯片:n 第四代第四代DSPDSP芯片芯片:n 第五代第五代DSPDSP芯片芯片:TMS32010、TMS32011、TMS320C10 C14C15 C16C17TMS32020、TMS320C25C26C28TMS320C30C31C32C33TMS320C40C44TMS320C50C51C52C531.1.2 DSP技术的发展及现状技术的发展及现状TITI公司的公司的三大系列产品三大系列产品 n(1)1)面向数字控制、
8、运动控制面向数字控制、运动控制n n(2)(2)面向低功耗、手持设备、无线终端应用面向低功耗、手持设备、无线终端应用n n(3)(3)面向高性能、多功能、复杂应用领域面向高性能、多功能、复杂应用领域n n TMS320C2000系列:C24xF24x、LC240 xLF240 x、LC240 xALF240 xA、320F28xxTMS320C5000系列:C54x、C54xx、C55xTMS320C6000系列:C62xx、C64xx、C67xx1.1.2 DSP技术的发展及现状技术的发展及现状nDSPDSP芯片发展趋势：芯片发展趋势：n n数字信号处理理论数字信号处理理论:n 向高性能、高
9、速度、低功耗方向发展在不断发展(1)自适应滤波、卡尔曼滤波、同态滤波等理论(2)各种快速算法陆续推出(3)声音与图像的压缩编码、识别与鉴别算法(4)加密解密，调制解调，信道辨别与均衡，智能天线，频谱分析等算法。1.1.3 DSP的应用的应用n（1）数字信号处理运算：快速傅立叶变换,卷积,数字滤波，n 自适应滤波,模式匹配,加密等。n（2）通信:调制解调器,数据加密,数据压缩,纠错编码等n（3）语音处理:语音编码,语音合成,语音识别。n（4）自动控制:机器人,磁盘,声控,发动机,电机n（5）激光打印机、扫描仪和复印机n（6）自动测试诊断设备及智能仪器仪表、虚拟仪器 n（7）医疗仪器：助听，诊断工
10、具，超声仪，CT，核磁共振。n（8）家用电器：数字电话,电视;音乐合成,数码相机,掌上电脑n 电子辞典，录音笔，复读机,MP3，玩具与游戏等。n（9）汽车：自动驾驶,防滑刹车,引擎控制,伺服控制,振动分析,安n 全气囊的控制器，视像地图等。1.1.4 DSP、单片机、嵌入式微处理器、单片机、嵌入式微处理器n n单片机单片机n20世纪70年代n任务任务:n缺点缺点:n适用范围适用范围:微控制器或嵌入式控制器，是为中、低成本控制系统设计和开发的。单片机开始在电机控制系统中广泛使用控制算法，输入输出处理、显示外部扩展、可靠性、可维护性降低、速度慢控制精度、性能要求不高的场合。1.1.4 DSP、单片
11、机、嵌入式微处理器、单片机、嵌入式微处理器n 嵌入式微处理器嵌入式微处理器n基础基础:n n与工控机相比与工控机相比:n n流行嵌入式微处理器流行嵌入式微处理器:n与与DSPDSP的相比的相比:通用计算机中的CPU优点优点:体积小、重量轻、成本低、可靠性高缺点缺点:系统的可靠性低，技术保密性差.(必须扩展 ROM、RAM、总线接口、各种外设)ARM7、ARM9系列存储器空间大，可配置实时多任务操作系统1.1.4 DSP、单片机、嵌入式微处理器、单片机、嵌入式微处理器nDSPDSP能够高速、实时地进行数字信号处理运算能够高速、实时地进行数字信号处理运算n (1)DSP中设置了硬件乘法器,在单个指
12、令周期内完成 乘/加运算(2)在指令系统中设置了“循环寻址”及“位倒序”寻址 指令(3)设置了单独的DMA 总线及其控制器(4)DSP 内部使用的流水线技术 DSP 与单片机、嵌入式微处理器相比，在多DSP 核并行工作、速度快、功耗低、完成各种数字信号处理算法方面尤为突出。1.1.4 DSP 1.1.4 DSP、单片机、嵌入式微处理器、单片机、嵌入式微处理器n DSP、单片机以及嵌入式微处理器三者各有所长，n可根据实际需要进行选择。单片机适于低功耗、低成本、n小体积，并且控制性能和精度要求不高的场合；DSP则适n利于成本和功耗相对较低，尺寸较小，但需进行数字信号n处理的场合。1.1.4 DSP
13、 1.1.4 DSP、单片机、嵌入式微处理器、单片机、嵌入式微处理器nFPGAFPGA(FieldProgrammable Gate Array）n结构结构:n n工作原理工作原理 :n 现场可编程门阵列(半定制电路)逻辑模块、输出输入模块、内部连线上电时：上电时：数据从EPROM 片内编程RAM 配置完成后 FPGA进入工作状态。断电后断电后:恢复成白片1.1.5 DSP1.1.5 DSP基本结构及主要特征基本结构及主要特征n一、采用程序和数据分开的哈佛结构一、采用程序和数据分开的哈佛结构 n二、流水线操作二、流水线操作n三、设置专门的硬件乘法器三、设置专门的硬件乘法器 n四、特殊的指令四、
14、特殊的指令 n五、丰富的片内存储器件和外设五、丰富的片内存储器件和外设n六六、独立的直接存储器访问总线及其控制器独立的直接存储器访问总线及其控制器1.1.5 DSP基本结构及主要特征基本结构及主要特征n一、采用程序和数据分开的哈佛结构一、采用程序和数据分开的哈佛结构n1 冯冯.诺依曼结构诺依曼结构:程序存储器和数据存储器共用一个公共的存储n 空间和单一的地址和数据总线n2 哈佛结构哈佛结构:程序存储空间和数据存储空间分开，程序和数据都 有各自的地址和数据总线 冯诺依曼结构 哈佛结构 1.1.5 DSP基本结构及主要特征基本结构及主要特征n二、流水线操作二、流水线操作n 指令执行指令执行:n 流
15、水线技术流水线技术:将各条指令的各个步骤重叠起来执行 取指、译码、取数和执行1.1.5 DSP基本结构及主要特征基本结构及主要特征n三、设置专门的硬件乘法器三、设置专门的硬件乘法器n有限冲击响应滤波器 n n无限冲击响应滤波器 n卷积 n离散傅里叶变换1.1.5 DSP基本结构及主要特征基本结构及主要特征n四、特殊的指令四、特殊的指令n 例如:DMOV 指令,把数据存储器指定地址处的数据复制到该地址加1的单元中，原单元的内容不变，即数据移位，相当于数字信号处理中的延迟，例如x(n)的延迟为x(n-1)。n “循环寻址”及“位倒序寻址”指令和其他特殊指令，使寻址、排序的速度大大提高，从而能方便、
16、快速地实现FFT算法。1.1.5 DSP1.1.5 DSP基本结构及主要特征基本结构及主要特征n五、丰富的片内存储器件和外设五、丰富的片内存储器件和外设nFlash 和 双访问RAM存储器 n独立的DMA总线及其控制器 n时钟发生器(振荡器与锁相环PLL)；n定时器(timer)；n软件可编程等待状态发生器，以便使较快的片内设施与较慢的片外电路及存储器协调；n通用I/On同步串口(SSP)与异步串口(ASP)；n主机接口(HIP)；nJTAG边界扫描逻辑电路，便于对DSP处理器做片上的在线仿真以及多DSP处理器条件下的调试。1.1.6 DSP处理器的选择处理器的选择n一、数据格式一、数据格式
17、n二、数据宽度二、数据宽度n三、速度三、速度n四、存储器的安排四、存储器的安排n五、开发的难易程度五、开发的难易程度n六、支持多处理器六、支持多处理器n七、功耗和电源管理七、功耗和电源管理n八、器件的封装八、器件的封装1.1.6 DSP1.1.6 DSP处理器的选择处理器的选择n一、数据格式一、数据格式 n定点定点DSPDSP芯片芯片 数据长度通常为 16位、24位、32位 n浮点浮点DSPDSP芯片芯片 数据长度通常为32位、40位 n结论结论优点:体积小、成本低、功耗小、对存储器的要求不高；缺点:数值范围较窄,必须定点定标优点:数据动态范围宽,开发较容易 缺点:硬件结构相对复杂、功耗较大,
18、价格高浮点运算与定点运算相比 灵活性和数据的动态范围都要大，编程比较容易。但因为电路更复杂，芯片也更大，所以成本和功耗也就比较大。浮点DSP芯片用于对数据动态范围和精度要求较高的系统中。1.1.6 DSP处理器的选择处理器的选择n二、数据宽度二、数据宽度n n三、速度三、速度n 浮点DSP为32位 定点DSP是16位(24、32位)数据字的长短是影响成本的重要因素MIPS 每秒执行多少百万条指令 MFLOPS 每秒百万次浮点运算DSP的输入时钟和指令速率一致1.1.6 DSP处理器的选择处理器的选择n四、存储器的安排四、存储器的安排n n五、开发的难易程度五、开发的难易程度n 哈佛结构、高速缓
19、存、存储空间大小、双访问存储器单元多少软件工具(编译器、汇编器、连接器、软仿真器、调试器、代码库和实时操作系统等)、硬件工具(评估板和仿真器等)高级工具(如基于框图的代码产生环境等)。编程语言 汇编语言、C语言，汇编与C的混合编程语言。1.1.6 DSP处理器的选择处理器的选择n六、支持多处理器六、支持多处理器n 专门的接口或DMA通道，支持多DSP的运行 n七、功耗和电源管理七、功耗和电源管理n 降低工作电压(3.3V,2.5V,1.8V,0.9V)n 提供体眠与等待模式n 外设控制n八、器件的封装八、器件的封装n 表贴TQFP封装（国内使用）n BGA（Ball Gnd Aarry）封装1
20、.2 1.2 电机控制系统相关知识电机控制系统相关知识n 电机控制的发展电机控制的发展控制电路控制电路控制策略控制策略电力电子控制器结构电力电子控制器结构模拟电路数字和模拟混合电路全数字电路低效有级控制低效无级控制高效率无级控制高性能智能型控制电子管小功率晶体管大功率晶闸管全控型电力电子器件1.2 1.2 电机控制系统相关知识电机控制系统相关知识n 电机控制目标电机控制目标n速度控制速度控制(调速系统)n n位置控制位置控制(运动控制,位置伺服)n 应用于机械、冶金、化工、造纸、纺织、矿山和交通系统功率不大，有定位精度要求，频繁启动和制动用于雷达、导航、数控机床、机器人、打印机、复印机、扫描仪
21、、磁记录仪、磁盘驱动器和自动洗衣机1.2 1.2 电机控制系统相关知识电机控制系统相关知识n 直流无刷电机速度控制直流无刷电机速度控制(双闭环直流调速系统)位置传感器电机转子位置信号电机转速电流参考信号(Iref)电流偏差 PWM信号实现对电机转速和输出转矩的控制。1.2 1.2 电机控制系统相关知识电机控制系统相关知识n 电机控制相关知识电机控制相关知识 n电机运行状态信号的检测电机运行状态信号的检测n 位置、速度、加速度、电流、电压、力或n 转矩、温度、振动和噪声、压力和流量等n信号转换信号转换:A/D转换电路n电机控制电机控制:PWM，电压空间矢量脉冲宽度调制 n电机驱动电机驱动:逆变技
22、术1.2 1.2 电机控制系统相关知识电机控制系统相关知识n1.2.1 1.2.1 信号检测信号检测n1.2.2 1.2.2 逆变技术逆变技术n1.2.3 PWM1.2.3 PWM控制技术控制技术n1.2.4 1.2.4 空间矢量调制技术空间矢量调制技术(SVPWM)(SVPWM)1.2.1 1.2.1 信号检测信号检测过电流、过电压、过热和欠电压等位置、速度、加速度、电流、电压、力或转矩、温度、振动和噪声、压力和流量等电机检测信号电机检测信号电机极限参数电机极限参数电机运行状态电机运行状态电流、电压、温度、转子位置和转速电流、电压、温度、转子位置和转速 1.2.1 1.2.1 信号检测信号检
23、测n一、电流检测一、电流检测n二、电压检测二、电压检测n三、温度检测三、温度检测n四、位置检测四、位置检测n五、速度检测五、速度检测1.2.1 1.2.1 信号检测信号检测电阻法、电流互感器法和霍尔效应电流传感器法优点优点:成本低，线路简单，响应速度快缺点缺点:消耗能量，精度受温度影响适用适用:电流比较小的场合原理：原理：电磁感应原理测量电流适用：适用：高压大电流的情况缺点：缺点：测量动态或低频信号，精度不高。一、电流检测一、电流检测1 1、电阻法、电阻法2 2、电流互感器法、电流互感器法1.2.1 1.2.1 信号检测信号检测利用霍尔效应和磁场平衡原理设计的精密型电流检测元件缺点缺点:价格昂
24、贵 需要外加恒压直流电源3 3、霍尔效应电流传感器、霍尔效应电流传感器优点优点:可以实现电气隔离 交流与直流均可测量 精度高1.2.1 1.2.1 信号检测信号检测二、电压检测二、电压检测直接测量、电压互感器法、霍尔效应电压传感器1 1、直接测量、直接测量直接放大直接放大 (被测电压较小)电阻分压法电阻分压法 (被测电压较高，直流母线电压测量)2、电压互感器法、电压互感器法(交流高压电时使用)原理：原理：利用变压器原理将高压变为低压后再测量。注意：没有电气隔离作用注意：没有电气隔离作用优点：有电气隔离优点：有电气隔离,抗干扰能力较强，测量简单抗干扰能力较强，测量简单缺点：动态或低频等信号的测量
25、精度不高缺点：动态或低频等信号的测量精度不高1.2.1 1.2.1 信号检测信号检测3 3、霍尔效应电压传感器、霍尔效应电压传感器工作原理：工作原理：与霍尔效应电流传感器类似电流传感器被测电流的导体匝数很少电压传感器的匝数相对较多 。1.2.1 1.2.1 信号检测信号检测三、温度检测三、温度检测接触式测量方法和非接触式测量1 1、接触式测量、接触式测量利用热敏元件和温度传感器等进行测量（如热电偶、温度计和热敏电阻）2 2、非接触式测量、非接触式测量利用物体的热辐射、色谱等进行测量（如红外测温、光纤光栅测温和图像测温）电机控制中，温度的检测采用接触式测量电机控制中，温度的检测采用接触式测量1.
26、2.1 1.2.1 信号检测信号检测 四、位置检测四、位置检测微电机解算元件微电机解算元件：旋转变压器和同步感应器光电元件光电元件：绝对光电编码器、增量光电编码器、直线光栅磁敏元件磁敏元件：霍尔位置传感器电磁感应元件电磁感应元件：接近开关、开口变压器微电机解算元件和光电元件：测量精度较高微电机解算元件和光电元件：测量精度较高磁敏元件和电磁感应元件：只能检测某些固定的绕组换相位置磁敏元件和电磁感应元件：只能检测某些固定的绕组换相位置1.2.1 1.2.1 信号检测信号检测1 1、绝对式光电编码器、绝对式光电编码器组成：组成：光电传感器，光源、透镜、码盘、光敏二极管、驱动电路 原理：原理：给定编码
27、圆盘分成若干等份 配置相应元件和电路 输出编码 扇区位置角缺点缺点:码道图案的变化数目不明确，输出 电平变化频繁，容易产生较多误差改进改进:格雷码编码盘1.2.1 1.2.1 信号检测信号检测分辨率：分辨率：位数位数n n表示表示角度分辨率：角度分辨率：3603602 2n n 格雷码编码盘格雷码编码盘 特点特点:工作稳定可靠。编码：编码：0000000100110010011000000001001100100110 0111010101001100100001110101010011001000 绝对式光电编码器：确定绝对位置信息绝对式光电编码器：确定绝对位置信息高精度：高精度：达到达到1
28、717位和位和2222位位 1.2.1 1.2.1 信号检测信号检测2 2、增量式光电编码器、增量式光电编码器组成：组成：光源、透镜、主光栅码盘、鉴向盘、光敏元件 原理原理：编码盘随位置的变化输出一系列脉冲信号，通过对脉冲个数的记录，确定电机转动的 位置。绝对位置角，设有零位脉冲适用：适用：检测位置和速度检测位置和速度1.2.1 1.2.1 信号检测信号检测五、速度检测五、速度检测测速发电机、光电编码器光电编码器测速：光电编码器测速：测速发电机测速发电机:将转子转速信号转变为电压信号理想情况下，输出电压与转子的转速成正比利用定时器计数器配合光电编码器的输出脉冲来测电机转速1.2.1 1.2.1
29、 信号检测信号检测1 1、测速发电机、测速发电机:交流测速发电机：交流测速发电机：直流测速发电机：直流测速发电机：测量输出绕组的交流电压幅值直接测量与转子速度成正比的电压信号优点优点:线性度好，信号连续线性度好，信号连续缺点缺点:输出信号变化幅度比较大输出信号变化幅度比较大低速时信号很微弱，线性度不能保证低速时信号很微弱，线性度不能保证高速时信号很强，可能超过允许值。高速时信号很强，可能超过允许值。1.2.1 1.2.1 信号检测信号检测2、光电编码器测速、光电编码器测速M法测速 T法测速 MT法测速(1)M法测速法测速原理：原理：在规定检测时间在规定检测时间Tc内，对光电编码器输出脉冲个数进
30、行计数内，对光电编码器输出脉冲个数进行计数N N线光电编码器线光电编码器：每旋转一周输出4N个脉冲，若检测时间是Tc，计数器记录的脉冲数为M1，则电机转速为:提高精度：提高精度：高线数的光电编码器高线数的光电编码器适用场合：适用场合：测量高转速测量高转速1.2.1 1.2.1 信号检测信号检测(2)T(2)T法测速法测速在一个编码器脉冲周期内，对时钟信号脉冲进行计数在一个编码器脉冲周期内，对时钟信号脉冲进行计数原理原理:N N线光电编码器线光电编码器：时钟频率为fclk ，计数器记录脉冲数为M2，每转输出4N个脉冲，那么电机每分钟转速为：适用场合：适用场合：低速运行低速运行提高精度：提高精度：
31、高线数的光电编码器高线数的光电编码器1.2.1 1.2.1 信号检测信号检测(3)M(3)MT T法测速法测速原理：原理：在一定的时间范围内，同时对光电编码盘输出的脉冲在一定的时间范围内，同时对光电编码盘输出的脉冲 个数个数M1M1和时钟脉冲和时钟脉冲M2M2进行计数，则电机每分钟转速为：进行计数，则电机每分钟转速为：既有M法可测高速优点，又有T法可测低速优点，测速范围广，测量精度高，在电机控制中应用十分广泛。1.2.1 1.2.1 信号检测信号检测4 4、转向判别原理、转向判别原理 电机正转电机正转：A相信号超前B相90，方向信号Dir输出高电平电机反转电机反转：A相信号滞后B相90，方向信
32、号Dir输出低电平根据信号根据信号A、B相位关系，确定电机转向。相位关系，确定电机转向。1.2.2 1.2.2 逆变技术逆变技术n一、逆变技术基本概念和分类一、逆变技术基本概念和分类n二、逆变器基本工作原理二、逆变器基本工作原理1.2.2 1.2.2 逆变技术逆变技术一、逆变技术基本概念和分类一、逆变技术基本概念和分类整流整流:交流电直流电逆变逆变:直流电交流电逆变电路逆变电路:完成逆变功能的电路逆变器逆变器:实现逆变过程的装置逆变技术逆变技术:逆变理论和逆变器应用及设计方法将直流电能转换成交流电能的技术研究：研究：1.2.2 1.2.2 逆变技术逆变技术变频调速变频调速：通过改变交流电机供电
33、频率来达到调速的目的好处：好处：效率高、范围宽、精度高比较合理和理想的交流电机调速方法 “逆变器十交流电机”为核心的交流电机调速系统已广泛取代传统调速系统，成为交流电机调速的主要形式。逆逆变变技技术术分分类类1.2.2 1.2.2 逆变技术逆变技术二、逆变器基本工作原理二、逆变器基本工作原理电压型逆变器电压型逆变器:电容滤波，电压波形平直，输出阻抗低作用作用:将直流电压以一定的方向和次序分配给负载的各相电流型逆变器电流型逆变器:电感滤波，电流波形平直，输出阻抗高作用作用:将直流电流以一定的方向和次序分配给负载的各相1.2.2 1.2.2 逆变技术逆变技术二点三相全桥式电压型逆变器电路二点三相全
34、桥式电压型逆变器电路功率半导体器件 均为理想器件输入：恒定的直流输出：三相负载对称理想电路：理想电路：分布电感、电容 忽略不计 T1 T1一一T6T6：输入为高时：导通输入为高时：导通输入为低时：截止输入为低时：截止 1.2.2 1.2.2 逆变技术逆变技术180180导电型导电型120导电型导电型 180导电型交流输出电压较高，便于实现脉冲宽度调制控制，电压型逆变器中都采用180导电型控制1.2.2 1.2.2 逆变技术逆变技术 为了避免上、下桥臂开关管为了避免上、下桥臂开关管同时导通，要求上、下桥臂开同时导通，要求上、下桥臂开关管的控制信号要求互补关管的控制信号要求互补 1.2.2 1.2
35、.2 逆变技术逆变技术1.2.2 1.2.2 逆变技术逆变技术 180180导电型控制，逆变器的输出电压特点导电型控制，逆变器的输出电压特点(1)对于中间直流环节的中点O，三相相电压是宽度为180 的矩形波，三相线电压是宽度为120的矩形波；(2)对于三相对称星型连接负载的中心点N，三相相电压为六阶梯波。相电压相电压U UANAN和线电压和线电压U UABAB基波有效值基波有效值动态响应性能差、输出电压调节不方便、系统结构复杂动态响应性能差、输出电压调节不方便、系统结构复杂 输出电压：需要的基波、大量的谐波输出电压：需要的基波、大量的谐波 1.2.3 PWM1.2.3 PWM控制技术控制技术n
36、一、一、PWMPWM控制技术基本概念控制技术基本概念 n二、正弦脉冲宽度调制（二、正弦脉冲宽度调制（SPWMSPWM）原理）原理1.2.3 PWM1.2.3 PWM控制技术控制技术一、一、PWMPWM控制技术基本概念控制技术基本概念PWM技术改善逆变装置供电下电机的工作性能（减小电机转矩脉动、提高电机的效率、扩大调速范围）截止区截止区：电流很小I0，损耗P=I*U0饱和区饱和区：Uces0.3,损耗P很小放大区放大区：P=I*U则较大。半导体器件工作区间：半导体器件工作区间：1964年，德国工程人员调制概念应用到变频调速系统。PWMPWM控制策略：控制策略：逆变装置采用：开关工作模式逆变装置采
37、用：开关工作模式 1.2.3 PWM1.2.3 PWM控制技术控制技术PWMPWM控制出发点：控制出发点：将希望得到逆变输出电压信号，用一串等效的脉冲信号来代替当umuc时，比较器输出高电平；当um1M1实际使用时，取实际使用时，取M1M1，即线性调制区，即线性调制区1.2.3 PWM1.2.3 PWM控制技术控制技术2、器件开关频率和开关损耗、器件开关频率和开关损耗线性调制区:开关器件的开关频率fs 等于载波信号的频率fcf fs s=f fc c=PfPfm m提高开关频率对改善逆变器的输出电压质量和负载性能有利提高开关频率对改善逆变器的输出电压质量和负载性能有利逆变器开关频率限制逆变器开
38、关频率限制:(1)器件开关速度限制器件开关速度限制（IGBT：开关频率20kHz）(2)器件开关功耗限制器件开关功耗限制（开关损耗开关频率）(3)微处理器处理速度微处理器处理速度(4)产生的电磁干扰产生的电磁干扰 （电磁干扰开关频率）开关频率是一个需要综合考虑和评价的重要技术参数。1.2.3 PWM1.2.3 PWM控制技术控制技术 3 3、调制方式、调制方式同步调制、异步调制、分段同步调制(1)(1)同步调制同步调制（载波比（载波比P P不变的调制方式）不变的调制方式）优点优点:保证输出波形的对称性和谐波分布特性保证输出波形的对称性和谐波分布特性缺点缺点:不利用微处理器进行数字化控制不利用微
39、处理器进行数字化控制(2)(2)异步调制异步调制（载波信号频率不变的调制方法）（载波信号频率不变的调制方法）优点优点:载波频率是固定，载波频率是固定，利于微处理器进行数字化控制利于微处理器进行数字化控制可更好地抑制可更好地抑制谐波电流、谐波电流、载波边频带与基波之间的相互干扰载波边频带与基波之间的相互干扰减轻电动机的谐波损耗及转矩脉动减轻电动机的谐波损耗及转矩脉动缺点缺点:三相三相PWMPWM脉冲无法保持严格的对称关系脉冲无法保持严格的对称关系(载波比载波比P P取为取为3 3的整数倍的整数倍)1.2.3 PWM1.2.3 PWM控制技术控制技术 (3)(3)分段同步调制分段同步调制 （将调制
40、波频率分为若干个频段，在每个频段内都保持载波比（将调制波频率分为若干个频段，在每个频段内都保持载波比P P恒定不变恒定不变,不同频段的不同频段的P P值不同）值不同）频段的划分和载波比的改变主要考虑频段的划分和载波比的改变主要考虑：充分利用功率半导体开关器件的开关频率，避免控制软件过于复杂。充分利用功率半导体开关器件的开关频率，避免控制软件过于复杂。1.2.3 PWM1.2.3 PWM控制技术控制技术二、逆变装置二、逆变装置PWMPWM技术性能指标技术性能指标1 1、输出电压谐波分布、输出电压谐波分布逆变器逆变器谐波谐波逆变器供电的设备产生不利影响逆变器供电的设备产生不利影响（电机噪声和震动增
41、大、电机转矩脉动加剧）采取措施抑制或消除谐波影响采取措施抑制或消除谐波影响2 2、开关器件的开关损耗、开关器件的开关损耗开关频率的提高受开关损耗和开关器件的开关速度限制在较低的开关频率下，尽可能保证输出电能的质量在较低的开关频率下，尽可能保证输出电能的质量1.2.3 PWM1.2.3 PWM控制技术控制技术 3 3、直流环节电压的利用率、直流环节电压的利用率 在直流环节电压（在直流环节电压（UdUd)一定条件下，一定条件下，PWMPWM控制所产生的最高交流控制所产生的最高交流输出电压输出电压U Ulpmaxlpmax，代表了该，代表了该PWMPWM控制策略直流电压利用率的高低。控制策略直流电压
42、利用率的高低。线电压利用率线电压利用率=U Ulpmaxlpmax/U Ud d其中:Ulpmax PWM波基波线电压峰值 Ud 直流环节电压二电平三相全桥式电压型逆变器二电平三相全桥式电压型逆变器 1.2.3 PWM1.2.3 PWM控制技术控制技术三、正弦脉冲宽度调制（三、正弦脉冲宽度调制（SPWMSPWM）原理）原理正弦脉冲宽度调制正弦脉冲宽度调制:用正弦波作为调制信用正弦波作为调制信号来控制输出号来控制输出PWMPWM脉冲的脉冲的宽度，使它按照正弦波的宽度，使它按照正弦波的规律变化。规律变化。正弦脉冲宽度调制、准最优正弦脉冲宽度调制、消除特定谐波脉冲宽度调制、空间电压矢量脉冲宽度调制和
43、瞬时值跟踪型脉冲宽度调制 1.2.3 PWM1.2.3 PWM控制技术控制技术三相三相SPWM逆变器最高线电压幅值逆变器最高线电压幅值1.2.4 1.2.4 空间矢量调制技术空间矢量调制技术n直流电机调速系统直流电机调速系统:n 控制简单、调速性能好n特点特点:n（1）直流电机的励磁电路和电枢电路是互相独立的，而异步电机的n 励磁电流和负载电流都在定子电路内，无法将它们分开；n（2）直流电机的主磁场和电枢磁场互相垂直，而异步电机的主磁场n 与转子电流磁场间的夹角和功率因数有关；n（3）直流电机是通过独立地调节两个磁场中的一个来进行调速的，n 而异步电机不能；1.2.4 1.2.4 空间矢量调制
44、技术空间矢量调制技术n 20世纪70年代初德国学者，提出了感应电机矢量变换控制方法。n基本思想基本思想:将感应电机的定转子绕组分别经过坐标变换后等效成两相正交的绕组，并从转子磁场的角度观测实现了感应电机电气变量的解耦控制。n主要研究主要研究:感应电机动态控制过程n 促进了感应电机矢量控制系统的实用化1.2.4 1.2.4 空间矢量调制技术空间矢量调制技术n一一 电压空间矢量的定义电压空间矢量的定义n二二 任意电压空间矢量的调制任意电压空间矢量的调制1.2.4 1.2.4 空间矢量调制技术空间矢量调制技术n一一 电压空间矢量的定义电压空间矢量的定义(SVPWM)n 通过控制交流电机磁链空间矢量轨
45、迹，使实际磁链逼近圆形，来达到减小电机的转矩脉动、改善电机的运行性能的目的 n SVPWM:SVPWM:直流电压利用率更高、电机的谐波电流和转矩脉动更小、电压和频率控制能同时完成以及实现简单 1.2.4 1.2.4 空间矢量调制技术空间矢量调制技术n一一 电压空间矢量的定义电压空间矢量的定义n 假设交流电机由理想对称的正弦电压供电，任意时刻三相绕组的相电压瞬时值分别表示为uAN、uBN和uCN、，则任意时刻的电压空间矢量为：n (1-6)n其中：单位复矢量aej2/3 n (1-8)1.2.4 1.2.4 空间矢量调制技术空间矢量调制技术n例1 感应电机定子三相绕组的相电压随时间按正弦规律变化
46、表示为n uAN=Umcos(t+A)(1-9)uBN=Umcos(t+A-2/3)n uCN=Umcos(t+A-4/3)n电压空间矢量电压空间矢量 n uvS=Umej(t+A)n平均电压空间矢量平均电压空间矢量n 在一个开关时间周期内等效的电压空间矢量 n 使平均电压空间矢量等于期望的电压空间矢量 1.2.4 1.2.4 空间矢量调制技术空间矢量调制技术n三相绕组端点电压三相绕组端点电压 n uAN=UdcSAn uBN=UdcSBn uCN=UdcSCn电压空间矢量电压空间矢量1.2.4 1.2.4 空间矢量调制技术空间矢量调制技术1.2.4 1.2.4 空间矢量调制技术空间矢量调制技
47、术n逆变器输出电压空间矢量 任意电压空间矢量的调制 1.2.4 1.2.4 空间矢量调制技术空间矢量调制技术n二二 任意电压空间矢量的调制任意电压空间矢量的调制n 对于任意给定的电压空间矢量，通过选择n合适的逆变器开关状态模式,能够产生一个平均n电压空间矢量，并且与给定的电压空间矢量相等n n 空间矢量调制要解决的空间矢量调制要解决的3 3个基本问题个基本问题：n如何选择逆变器开关状态模式或电压空间矢量的组合?n如何根据选定的电压空间矢量组合计算各电压空间矢量的作用时间?n如何确定各电压空间矢量的作用次序以及逆变器产生的PWM波形?1.2.4 1.2.4 空间矢量调制技术空间矢量调制技术n(1
48、)(1)电压空间矢量的组合电压空间矢量的组合 n uvS(100)与uvS(110)n uvS(010)与uvS(100)n uvS(101)与uvS(110)n选择给定电压空间矢量n所在扇区的相邻的工作电压n空间矢量组合n 任意电压空间矢量的调制 1.2.4 1.2.4 空间矢量调制技术空间矢量调制技术n(2)(2)电压空间矢量作用时间计算电压空间矢量作用时间计算 n 依据伏秒平衡原则与时间总和恒定原则 n uviT1+uvjT2+uv0T0+uv7T7=uavT (1-12)n T1+T2+T0+T7=Tn 定子电压空间矢量 1.2.4 1.2.4 空间矢量调制技术空间矢量调制技术1.2.
49、4 1.2.4 空间矢量调制技术空间矢量调制技术（3 3）电压空间矢量的作用顺序）电压空间矢量的作用顺序(开关切换次数最少的原则开关切换次数最少的原则 )1.2.4 1.2.4 空间矢量调制技术空间矢量调制技术n PWMPWM方法方法:n 从输出电压的角度出发，目的在于生成一个可以调频调压的三相正弦供电电源，要求尽可能降低输出电压中的谐波分量，并逼近正弦波。n电压空间矢量脉冲宽度调制技术电压空间矢量脉冲宽度调制技术:n 从交流电机的角度出发，以控制交流电机磁链空间矢量轨迹逼近圆形为调制目的，以便减小电机的转矩脉动，提高电机的运行性能。DSPDSP系统可实现的主要功能系统可实现的主要功能n 基于
50、DSP的电机控制系统示意图 DSPDSP系统可实现的主要功能系统可实现的主要功能n(1)在整个范围内调节电机速度，从而实现最大幅度的降低系统能耗。n(2)使用各种先进控制算法降低转矩波动，实现减振和延长寿命。n(3)借助先进算法，降低系统噪声。n(4)控制逆变器，产生高分辨率PWM脉冲。n(5)应用各种智能方法，如神经网络和模糊逻辑，实现对复杂系统的多变量控制。n(6)具有足够的运算速度和能力,可以实时监控系统,实现自适应控制。(7)通过FFT谱分析，实现对系统的实时动态故障诊断。n(8)通过陷波滤波器，减少系统的机械谐振。n(9)通过实现无传感器算法，节省传感器成本。n(10)减少系统所需的